计算机组成教学课件：Chapter6-PipeliningPPT文档.pptx

Chapter 6 - Pipelining Pipelining是计算机体系结构中的一个重要概念，它通过将处理器的数据路径分解为多个阶段，使计算机能够在同一时间执行多个操作，从而提高指令执行的效率和速度。这一技术受到了电路技术和硬件安排的影响，更快的电路对于所有计算机单元的性能提升都是有益的。 6.1 基本的Pipelining概念 Pipelining类似于工业生产流水线，其中产品在执行特定任务的工作站间移动。在计算机中，这个概念应用于指令执行的流水线化。传统上，计算机在一个时钟周期内只能执行一个指令的一个阶段，例如：取指、解码、计算、访问内存和写回结果。而通过pipelining，多个阶段可以同时对不同的指令进行操作，使得每个指令的执行时间仍然是五个时钟周期，但每秒可以执行的指令数量却提高了，达到每周期一条指令。 6.2 Pipeline组织 在pipelining中，使用程序计数器（PC）来获取指令，并确保每个时钟周期都有新的指令进入流水线。在指令流经不同阶段的过程中，需要携带与指令相关的特定信息。为了保持这些信息，使用了级间缓冲区，它们包含了寄存器RA、RB、RM、RY、RZ、IR和PC-Temp等从第5章中继承过来的寄存器。此外，这些缓冲区还用于存储控制信号设置，以协调各个阶段的操作。 6.3 Pipeline问题 尽管pipelining能显著提高处理速度，但也带来了一些挑战。其中一个主要问题是数据依赖性。如果两个连续的指令Ij和Ij+1之间存在数据依赖关系，即Ij的结果需要写入Ij+1的源寄存器，那么在pipelining中，Ij+1可能会在Ij的结果写回之前就使用了旧的寄存器值，导致计算错误。为了解决这个问题，必须暂停（延迟）Ij+1的执行，等待Ij完成并更新寄存器值。这种暂停被称为“管道冲突”或“管道阻塞”。 6.4 数据依赖 数据依赖是指指令之间因共享数据而导致的执行顺序要求。在pipelining中，这种依赖可能导致指令执行的延迟，因为某些指令必须等待其依赖的前驱指令完成才能继续执行。例如，写后读依赖（Write-after-Read，WAR）和读后写依赖（Read-after-Write，RAW）是最常见的数据依赖类型，需要通过插入额外的时钟周期（称为“等待周期”）来解决。 6.5 内存延迟 访问内存通常比在寄存器之间操作数据慢得多，这会导致内存操作成为pipelining中的瓶颈。为了解决这个问题，设计者可能采用多种策略，如预取（prefetching）、写回缓冲（write-back buffer）或者增加内存层次结构（如缓存），以减少内存访问对整体性能的影响。 6.6 分支延迟 分支指令会改变程序执行的顺序，因此需要在确定分支目标后才能正确地进行后续指令的调度。分支延迟涉及到预测分支（branch prediction）和分支目标缓冲（branch target buffer）等技术，以减少因分支决策而引起的等待时间。 6.7 资源限制 在pipelining中，当多个指令同时尝试使用同一资源时，可能会出现资源竞争。比如，多个指令同时需要同一个ALU或浮点运算单元。解决方法包括资源复制、多路复用或动态调度。 6.9 超标量操作 超标量（Superscalar）技术是在pipelining的基础上进一步优化，通过包含多个独立的执行单元，允许在同一时钟周期内执行多条指令。这可以进一步提高处理器的吞吐量，但也会增加设计复杂性和功耗。 总结来说，Pipelining是提高计算机性能的关键技术之一，通过将指令执行划分为多个阶段并行处理，能够在保持总执行时间不变的同时增加指令吞吐率。然而，它也引入了一系列挑战，如数据依赖、内存延迟和资源限制，需要通过巧妙的设计和策略来解决。